Techniken für genaue Kriechsimulationen

Treten Sie dem Forum für Designer bei!

Ihr Fachwissen ist wichtig für die Gemeinschaft. Helfen Sie uns und bringen Sie Ihr Wissen ein!

Tauschen Sie sich aus, lernen Sie und wachsen Sie mit den besten Fachleuten der Branche.

Kriechen wird grundsätzlich verursacht durch die thermisch aktivierte Bewegung von Defekten in der Struktur des Materials. Bei erhöhten Temperaturen werden diese Defekte (hauptsächlich Leerstellen und Versetzungen) bewegen sich und ordnen sich neu an, was bei anhaltender Belastung zu dauerhaften Belastungen führt.

Kriechen in Werkstoffen ist nicht nur ein makroskopisches Versagen, sondern ein komplexer, irreversibler Prozess, der von der Mikrostrukturphysik gesteuert wird. Wenn Bauteile bei Temperaturen oberhalb ihrer kritischen homologen Temperatur arbeiten (typischerweise 0,4 T_m), wird genügend thermische Energie verfügbar, um atomare oder mikrostrukturelle Prozesse zu aktivieren. Diese Energie ermöglicht es kristallinen Defekten, lokale Energiebarrieren zu überwinden.

Die permanente Verformung wird daher durch drei Hauptkategorien von Bewegungen innerhalb des Kristallgitters und der Kornstruktur bestimmt:

1. Versetzungsbewegung: Die Bewegung von Liniendefekten (Versetzungen) durch das Kristallgitter durch Steigen und Gleiten.
2. Atomare Diffusion: Die Wanderung von Atomen oder Leerstellen durch das Gitter oder entlang von Korngrenzen.
3. Grain Boundary Sliding (GBS): Die relative tangentiale Bewegung von benachbarten Körnern.

Welcher Mechanismus dominiert, hängt stark von den spezifischen Spannungs- und Temperaturbedingungen ab. Zu verstehen, welcher Mechanismus die Verformungsgeschwindigkeit steuert, ist der erste Schritt zur Durchführung einer sinnvollen Kriechsimulation.

Denn mehrere thermisch aktivierte Prozesse treiben diesen Materialabbau voran. Die daraus resultierende Kriechen in Materialien wird selten durch einen einzigen Faktor gesteuert. In der Tat hängt die makroskopische Dehnungsrate stark vom spezifischen Zusammenspiel von angewandter Spannung, Temperatur und Mikrostruktur (z. B. Korngröße) ab. Daraus folgt, zur Durchführung zuverlässiger Kriechsimulationmüssen Ingenieure die grundlegenden kinetischen Gesetze, die jeden dominanten physikalischen Prozess bestimmen, genau definieren. In den folgenden Abschnitten werden diese wesentlichen Mechanismen, einschließlich des Versetzungskriechens und des Diffusionskriechens, die die zeitabhängige Reaktion des Materials bestimmen, ausführlich beschrieben.

2.1. Diffusionsgesteuertes Kriechen (geringe Spannung/Nabarro-Herring und Coble)

Diffusionsprozesse dominieren die Kriechreaktion bei hohen Temperaturen und niedrigen Spannungen.

• Nabarro-Herring-Kriechen (Gitterdiffusion):Dieser Mechanismus beinhaltet die Diffusion von Atomen durch das Kristallgitter (Bulk-Diffusion). Die Bewegung wird durch spannungsinduzierte Leerstandsgradienten angetrieben. Daraus folgt, skaliert die Kriechdehnungsrate invers mit dem Quadrat der Korngröße ().

wobei ist die Dehnungsgeschwindigkeit, σ ist die angelegte Spannung, d ist die Korngröße, Qd ist die Aktivierungsenergie für die Diffusion, R ist die universelle Gaskonstante, T ist die absolute Temperatur und A1 ist eine materialabhängige Konstante.

• Coble-Kriechen:Bei diesem Mechanismus ist der Atomtransport entlang der Korngrenzen konzentriert. Das Coble-Kriechen dominiert in feinkörnigen Materialien. Deshalb, skaliert die Dehnungsrate invers mit dem Kubus der Korngröße ().

2.2. Versetzungs-Kriechen (Power Law Creep/Norton’s Law)

Das Versetzungskriechen steuert die Verformung bei mäßigen bis hohen Spannungsniveaus. Es ist durch die Bewegung von Versetzungen gekennzeichnet. Versetzungen bewegen sich durch Gleiten und thermisch aktivierte Anstieg.

Das Kriechen ermöglicht es Versetzungen, Hindernisse zu umgehen, indem sie Leerstellen mit dem Gitter austauschen. Die stationäre Dehnungsrate folgt dem Nortonschen Potenzgesetz, bei dem die Rate proportional zur Spannung hoch n ist. Beim Versetzungskriechen liegt der Spannungsexponent typischerweise zwischen 3 und 8.

Die Gleichung zeigt deutlich die exponentielle Abhängigkeit von der Temperatur (T) und die nichtlineare Abhängigkeit von der Spannung (), wobei der Spannungsexponent ist.

2.3. Solute Drag Creep

Das Kriechen der gelösten Stoffe ist ein Mechanismus, der durch den Widerstand gekennzeichnet ist, den die gelösten Atome der Versetzungsbewegung entgegensetzen. Gelöste Atome gruppieren sich um den Versetzungskern und bilden eine Cottrell-Atmosphäre. Infolgedessen, benötigt die Versetzung eine höhere Energie, um sich von diesem Cluster zu lösen. Dieser Mechanismus erhöht die Kriechbeständigkeit, indem er die effektive Aktivierungsenergie erhöht, die für die Versetzungsbewegung erforderlich ist.

Treten Sie dem Forum für Designer bei!

Ihr Fachwissen ist wichtig für die Gemeinschaft. Helfen Sie uns und bringen Sie Ihr Wissen ein!

Tauschen Sie sich aus, lernen Sie und wachsen Sie mit den besten Fachleuten der Branche.